Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений и анализа знаков передач Российский патент 2020 года по МПК G05B23/02 G06F11/22 

Изобретение относится к области контроля и диагностирования систем автоматического управления и их элементов.

Известен способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе (Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе: пат. 2439647 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2011100409/08; заявл. 11.01.2011; опубл. 10.01.2012, Бюл. №1).

Недостатком этого способа является то, что он использует вычисление знаков передач сигналов от выходов блоков до контрольных точек.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ поиска неисправного блока в динамической системе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2435189 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2009123999/08; заявл. 23.06.2009; опубл. 27.11.2011, Бюл. №33).

Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает определение дефектов с невысокой различимостью, то есть обладает невысокой помехоустойчивостью.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является улучшение помехоустойчивости способа диагностирования непрерывных систем автоматического управления путем увеличения различимости дефектов.

Поставленная задача достигается тем, что предварительно регистрируют реакцию заведомо исправной системы ƒ_jном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0,T_К] в k контрольных точках, и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k системы, для чего в момент подачи входного сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют, фиксируют число m блоков системы, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученных в результате пробных отклонений для m дефектов блоков, для чего поочередно в каждый блок динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра интегрирования α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров разных структурных блоков ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_jном(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔP_ji=sign(ΔP_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков j=1, …, k; i=1, …, m замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра интегрирования α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_jα)-F_jном(α), j=1, …, k, j=1, …, k, j=1, …, k определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=sigbn(ΔF_j(α)), j=1, …, k, j=1, …, определяют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок сигналов контролируемой системы из соотношения j=1, …, k, определяют диагностические признаки из соотношения i=1, …, m, по минимуму значения диагностического признака определяют неисправный блок.

Таким образом, предлагаемый способ поиска неисправного блока сводится к выполнению следующих операций:

1. В качестве динамической системы рассматривают систему, состоящую из произвольно соединенных m динамических блоков.

2. Предварительно определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы. Время переходного процесса оценивают для номинальных значений параметров динамической системы.

3. Определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения

4. Фиксируют число контрольных точек k.

5. Предварительно определяют нормированные векторы знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученных в результате пробных отклонений параметров i-го блока каждого из m блоков и определенного выше параметра интегрального преобразования α для чего выполняют пункты 6-11.

6. Подают тестовый сигнал x(t) (единичный ступенчатый, линейно возрастающий, прямоугольный импульсный и т.д.) на вход системы управления с номинальными характеристиками. Принципиальных ограничений на вид входного тестового воздействия предлагаемый способ не предусматривает.

7. Регистрируют реакцию системы ƒ_jном(t), j=1, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках и определяют интегральные оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k системы. Для этого в момент подачи тестового сигнала на вход системы управления с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt, где для чего сигналы системы управления подают на первые входы k блоков перемножения, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_jном(α), j=1, …, k регистрируют.

8. Определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров каждого из m блоков, для чего поочередно для каждого структурного блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра передаточной функции и выполняют пункты 6 и 7 для одного и того же тестового сигнала x(t). Полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют.

9. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров структурных блоков ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_jном(α), j=1, …, k; i=1, …, m.

10. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков по формуле: ΔP_ji=sign(ΔP_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m,

11. Определяют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков по формуле: j=1, …, k; i=1, …, m.

12. Замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой. На вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t).

13. Определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k, осуществляя операции, описанные в пунктах 6 и 7 применительно к контролируемой системе.

14. Определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_jα)-F_jном(α), j=1, …, k, j=1, …, k, j=1, …, k.

15. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=sigbn(ΔF_j(α)), j=1, …, k, j=1, … k.

16. Вычисляют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы по формуле: j=1, …, k.

17. Вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока по формуле: i=1, …, m.

18. По минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа поиска дефекта для системы, структурная схема которой представлена на рисунке (см. фиг.Структурная схема объекта диагностирования).

Передаточные функции блоков:

номинальные значения параметров: K₁=1; Т₁=5 с; K₂=1; Т₂=1 с; К₃=1; Т₃=5 с.

При поиске одиночного дефекта в виде отклонения постоянной времени T₁=4c (дефект №1) в первом звене путем подачи ступенчатого тестового входного сигнала единичной амплитуды и интегральных оценок сигналов для параметра α=0.5 и Т_к=10 с получены значения диагностических признаков на основе введения пробных отклонений и анализа знаков передач при использовании трех контрольных точек, расположенных на выходах блоков: J₁=0; J₂=0.8889; J₃=0.8889. Минимальное значение признака J₁ однозначно указывает на наличие дефекта в первом блоке, а разность между третьим и первым, а также вторым и первым признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта. Тот же дефект, найденный путем введения пробных отклонений в прототипе (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2435189 Рос. Федерация: МПК⁷ G05B23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2009123999/08; заявл. 23.06.2009; опубл. 27.11.2011, Бюл. №33), дает следующие значения диагностических признаков: J₁=0; J₂=0.7829; J₃=0.07399. Анализ значений диагностических признаков показывает, что разность между третьим и первым признаками может количественно характеризовать практическую (апостериорную) различимость этого дефекта. Это позволяет сделать вывод, что практическая различимость дефекта первого блока (прототипа) ниже, чем различимость дефекта при использовании заявляемого способа. Различимости дефектов второго и третьего блоков при поиске их заявляемым способом тоже выше, чем в прототипе.

Моделирование процессов поиска дефектов во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале для способа из прототипа (Способ поиска неисправного блока в динамической системе: пат. 2435189 Рос.Федерация: МПК₇ G05B 23/02 (2006.01) / Шалобанов С.В., Шалобанов С.С. - №2009123999/08; заявл. 23.06.2009; опубл. 27.11.2011, Бюл. №33):

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.7829; J₂=0; J₃=0.7462.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3) J₁=0.07404; J₂=0.7464; J₃=0.

Моделирование процессов поиска дефектов заявляемым способом во втором и третьем блоках для данного объекта диагностирования, при том же параметре интегрирования α и при единичном ступенчатом входном сигнале дает следующие значения диагностических признаков:

При наличии дефекта в блоке №2 (в виде уменьшения параметра Т₂ на 20%, дефект №2): J₁=0.8889; J₂=0; J₃=0.8889.

При наличии дефекта в блоке №3 (в виде уменьшения параметра Т₃ на 20%, дефект №3) J₁=0.8889; J₂=0.8889; J₃=0.

Минимальное значение диагностического признака во всех случаях правильно указывает на дефектный блок.

Изобретение относится к диагностике систем автоматического управления. В способе поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений и анализа знаков передач, фиксируют число блоков системы, определяют время контроля и параметр интегрального преобразования сигналов. Фиксируют число контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию исправной системы в этих точках. Определяют интегральные оценки выходных сигналов исправной системы. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для контрольных точек от номинальных значений. Вычисляют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы. Определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков. Определяют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков. Вычисляют признаки наличия неисправного блока. Улучшается помехоустойчивость способа. 1 ил.

Способ поиска неисправного блока в непрерывной динамической системе на основе введения пробных отклонений и анализа знаков передач, основанный на том, что фиксируют число блоков m, входящих в состав системы, определяют время контроля Т_К≥Т_ПП, где Т_ПП - время переходного процесса системы, определяют параметр интегрального преобразования сигналов из соотношения используют тестовый сигнал на интервале t∈[0,T_К], в качестве динамических характеристик системы используют интегральные оценки сигналов, полученные для вещественных значений параметра α, фиксируют число k контрольных точек системы, регистрируют реакцию объекта диагностирования и реакцию заведомо исправной системы ƒ_{j ном}(t), j=1, …, k на интервале t∈[0,T_K] в k контрольных точках, определяют интегральные оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k исправной системы, для чего в момент подачи тестового сигнала на вход системы с номинальными характеристиками одновременно начинают интегрирование выходных сигналов системы управления в каждой из k контрольных точек с весами e^-αt, где путем подачи на первые входы k блоков перемножения выходных сигналов системы управления, на вторые входы блоков перемножения подают экспоненциальный сигнал e^-αt, выходные сигналы k блоков перемножения подают на входы k блоков интегрирования, интегрирование завершают в момент времени Т_к, полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов F_{j ном}(α), j=1, …, k регистрируют, замещают систему с номинальными характеристиками контролируемой, на вход системы подают аналогичный тестовый сигнал x(t), определяют интегральные оценки выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек F_j(α), j=1, …, k для параметра α, определяют отклонения интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j(α)=F_j(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k, определяют интегральные оценки выходных сигналов модели для каждой из k контрольных точек, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков, для чего поочередно для каждого блока динамической системы вводят пробное отклонение параметра его передаточной функции и находят интегральные оценки выходных сигналов системы для параметра α и тестового сигнала x(t), полученные в результате интегрирования оценки выходных сигналов для каждой из k контрольных точек и каждого из m пробных отклонений P_ji(α), j=1, …, k; i=1, …, m регистрируют, определяют отклонения интегральных оценок сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров соответствующих блоков ΔP_ji(α)=P_ji(α)-F_{j ном}(α), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют диагностические признаки, по минимуму значения диагностического признака определяют дефектный блок, отличающийся тем, что определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы для k контрольных точек от номинальных значений ΔF_j=sign(ΔF_j(α)), j=1, …, k, вычисляют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов контролируемой системы j=1, …, k определяют знаки отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков ΔP_ji=sign(ΔP_ji(α)), j=1, …, k; i=1, …, m, определяют нормированные значения знаков отклонений интегральных оценок выходных сигналов модели, полученные в результате пробных отклонений параметров блоков j=1, …, k; i=1, …, m, вычисляют диагностические признаки наличия неисправного структурного блока i=1, …, m.